高功率微波TM 01模式移相器*

赵雪龙，袁成卫，刘 列，彭升人，白 珍，蔡 丹

(国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙 410073)

随着高功率微波技术(High Power Microwave，HPM)的发展，研究人员在输出微波功率方面做了大量的工作。即使很多微波源的输出功率已经达到GW级的水平，但是在很多应用方面，仍然难以满足应用需要。为了获得更高功率的微波输出，功率合成技术的研究很有必要。而运用高功率微波相位控制的空间功率合成是产生更高微波功率输出的有效途径之一。移相器是改变微波相位应用于功率合成的关键部件。在常规微波功率合成技术中，移相器发展非常成熟，主要应用的有两种，分别是铁氧体移相器［1］和二极管移相器［2］。然而这些移相器受限于其功率容量较低［3］，传统的移相器功率容量只有几千瓦［1－2］，但是在高功率微波领域，需要移相器具有最少百兆瓦以上的功率容量，所以传统移相器只能应用于雷达和通信，并不能直接应用于高功率微波领域。移相器直接应用于高功率微波的报道很少，文献［4］中工作频率为15.2GHz矩形波导宽边可调移相器在1W的TE10模式微波注入情况下，最高场强达到9．72kV/m，在真空环境下，估计功率容量可以达到112．9MW。目前很多高功率微波源输出模式为TM01模式，但用于对输出的TM01模式微波直接进行相位调节并合成的移相器还未见报道。赵雪龙等设计了一种具有高功率容量、高传输效率的TM01模式移相器，并通过电磁仿真方法进行了验证，TM01模式移相器的实现为高功率微波的功率合成提供了一种选择。

1 分析和仿真

TM01移相器由两个相同的TE11模式圆极化器［5］轴向反接构成，如图1所示。

其中，每一个TE11圆极化器单独仿真时，注入模式为TM01，输出模式主要成分为两个正交极化的TE11模式。图2(a)为两个正交极化的TE11模式的透射系数S21随频率变化曲线(其中括号中的1，2，3分别代表空心圆波导的前三个模式:TM01和两个正交极化的TE11)。从图2(a)中可以看出，输出模式在中心频点处为两个简并的TE11模式，极化方向互相垂直，两个TE11模式在中心频点1.75GHz处S21均在0.7左右，说明输出模式中其他模式所占比例可以忽略不计。图2(b)为圆极化器输出两个简并TE11模式相位随频率变化曲线，从图2(b)中可以看出两个简并TE11模式在中心频点1．75GHz处相位差在90°左右。根据所得到的两个极化方向输出TE11模式的S21和相位，可以得到圆极化器输出TE11模式的轴比AR［6］为:

图3 圆极化器输出TE11模式轴比Fig．3 Axial ratio of output TE11mode

图3 为轴比随频率变化曲线，从图3中可以看出在中心频点1．75GHz处的轴比为1．02，且在1．6GHz～1．9GHz处的轴比小于 1．35。

将两个圆极化器沿轴向反向连接在一起，通过角向旋转改变两圆极化器所成角度，即可以对输出微波的相位进行调整。

TM01模式移相器具体工作过程如图4所示，圆极化器将输入的TM01模式(图4A)通过十字正交臂功分端转化四个幅度相等的矩形波导TE10模式，通过调整十字正交臂四个臂的长短使输出TE10模式分别有90°的相移，再将四个具有90°相移的TE10模式通过十字正交臂的功合端合成输出圆波导圆极化TE11模式(图4B)，圆极化TE11模式再通过另一个相同的反向连接的TE11圆极化器转化为TM01模式(图4C)输出，在这个过程中，通过角向扭转两个圆极化器，即可以获得与扭转角度相等的相对移相度数。

仿真结果显示，在扭转角度随机(取60°)输入功率为0．5W 情况下，电场最大值为750V/m，Barker［7］实验中的结论显示金属表面射频击穿场强可大于1MV/cm，即使按金属表面射频击穿场强为700kV/cm估算，此移相器功率容量大于，其他扭转角度功率容量变化不大。

图4 移相器中两圆极化器扭转相对角度60°电场分布图Fig．4 Electric field distribution of phase shifter when relatively rotation angle of two polarized TE11 converter is 60°

图5 为TM01移相器传输效率随相对扭转角度的变化曲线，每隔10°扭转1次。从图5中可以看出，在扭转210°时传输效率最大，达到99.75%，在扭转290°时，传输效率最小为97.25%，传输效率均大于97%。

图5 TM01移相器传输效率随相对扭转角度的变化曲线Fig．5 Transmission efficiency curve of TM01 phase shifter with the change of relative rotation angle

图6 为TM01移相器相对相移度数随相对扭转角度的变化曲线，从图6中可以看到，相移度数随两个圆极化器相对扭转角度的线性变化呈线性变化，且与相对扭转角度基本一致，误差在1°以内。

图6 TM01移相器相对相移度数随相对扭转角度变化曲线Fig．6 Phase shift degrees curve of TM01 phase shifter with the change of relative rotation angle

2 结论

本文提出了一种应用于高功率微波的TM01移相器，介绍了移相器的构成，并对移相器移相性能进行了仿真，仿真结果显示，在中心频率为1.75GHz情况下，移相器能够使微波输出相位随着两个圆极化器相对扭转角度的线性变化而改变，且基本与扭转角度相等，误差在1°范围内;传输效率在0°～360°相移过程中均大于97%，且功率容量均大于4．3GW，符合高功率微波移相器设计要求;这种移相器的设计为实现高功率微波的功率合成提供了一种选择。

References)

［1］ Erker E G，Nagra A S，Liu Y，et al．Monolithic Ka-band phase shifter using voltage tunable BaSrTiO3 parallel plate capacitors［J］．IEEE Microwave and Guided Wave Letters，2000，10(1):10－12．

［2］ Malczewski A，Eshelman S，Pillans B，et al．X-band RF MEMS phase shifters for phased array applications［J］．IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1999，9(12):517－519．

［3］ Li X Q，Liu Q X，Wu X J，et al．A GW level high-power radial line helical array antenna［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(9):2943－2948．

［4］ Yang Y M，Yuan CW，Qian B L．A novel phase shifter for Ku-band high-power microwave applications［J］． IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(1):51－54．

［5］ Peng S，Yuan C，Zhong H，et al．Design and experiment of a cross-shaped mode converter for high-power microwave applications［J］．Review of Scientific Instruments，2013，84(12):124703．

［6］ 林昌禄．天线工程手册［M］．北京:电子工业出版社，2002．LIN Changlu．Handbook of antenna engineering［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry Press，2002．(in Chinese)

［7］ Barker R J，Schamiloglu E．High-powermicrowave source and technologies［M］．New York:IEEE Press，2001．